树状聚合物缓蚀剂改善碳钢在软水中的耐腐蚀性能

近年来，由于人口不断增长、工业扩张和城市化，污水处理量持续增加而产生了大量污泥。处理污泥的方法主要有堆肥、焚烧和填埋。目前，国内处理污泥采用的方法有堆肥后土地利用、焚烧、卫生填埋等。由于土地资源限制和严格的环保法规定，焚烧是最安全、最有效的污泥处理方式，也是政府鼓励的未来主要的污泥处理方法。但污泥在焚烧前必须干燥以降低其含水率。用于污泥脱水干燥的设备包括带式压缩机、离心机、板框式过滤器和真空干燥系统。在上海大多数污水处理厂中，低温真空板框过滤器可将污泥含水率从≈95%降低到19%以下。低温真空板框过滤过程必须将污泥的温度提高到大约95℃。为了保持该工作温度，同时节约水和能源，一般使用热水锅炉循环系统。

防治污染的重要进展之一是使用软水作为循环系统的水源和补充水。软水的电导率很低（≤20.5cm-1），几乎不含钙离子。由于没有污染离子存在，软水中溶解的氧会直接与铁管接触，对铁管产生强烈的腐蚀作用。与阴极保护和增强涂层等方法相比，使用缓蚀剂方便、经济，可有效防止碳钢的腐蚀。有 机 磷 酸 盐 ， 如 1- 羟 乙 烷 -1,1- 二 磷 酸（HEDP） 、 氨 基 三 亚 甲 基 膦 酸（ATMP）、乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMP）、二乙烯三胺戊二基亚甲基膦酸（DTPMP）、2-膦丁烷-1,2,4- 三羧酸（PBTCA）等被广泛用作含钙循环水系统的缓蚀剂。磷酸盐类缓蚀剂与少量钙离子结合，吸附在碳或不锈钢表面，起到缓蚀作用。因此，磷酸盐缓蚀剂在含钙量很低以及没有钙离子的软水系统中是无效的。

近年来，环保型无磷缓蚀剂的开发主要集中于长链脂肪胺、咪唑类、天然氨基酸和硫代羧酸类。为了解决软水中管道的腐蚀问题，一般是在水中加入高浓度铬酸盐或亚硝酸盐离子缓蚀剂。虽然该方法效果良好，但铬酸盐和亚硝酸盐属于致癌物，严重污染环境，已被禁用。取而代之的是无毒缓蚀剂，例如基于金属盐（钼酸盐和钨酸盐）的缓蚀剂和硅酸盐缓蚀剂。钼酸盐和钨酸盐是贵金属盐。虽然它们可用于软水系统的缓蚀且无毒，但价格昂贵，一般需高浓度才能有效起到缓蚀作用。硅酸盐缓蚀剂价低无毒，但在连续循环过程中会形成硅垢沉积，对热水锅炉造成安全隐患。可见，这些缓蚀剂在应用中都有局限性。因此，开发有效、低成本、危害小的软水系统缓蚀剂非常必要。含有孤对电子的原子，如N、O、S、P是金属表面吸附缓蚀剂的关键因素。

上海同济大学、上海CEO环保科技公司、上海市环境净化与修复处理工程技术研究中心的张冰如等团队研究了一类新型类树枝状缓蚀剂，其结构中具有异硫脲端基、羧基侧基、核心为戊醇，命名为ITCP-0G、ITCP-1G。结果发现，在软水环境中，ITCP-0G 和ITCP-1G 对碳钢的缓腐蚀性能远高于以往报道的缓蚀剂。由于ITCP-1G分子更大、异硫脲基多，在钢表面的吸附牢固，ITCP-1G表现出更好的缓蚀性能。吸附等温线和表面分析表明，ITCP-1G在钢表面被强烈吸附，形成稳定的保护膜，从而抑制腐蚀。较高浓度的缓蚀剂可使钢表面覆盖更好且吸附膜更厚，因之增强了缓蚀性能。树枝状聚合物的三维结构使其部分吸附在钢表面，同时也与软水中的铁离子（从碳钢中溶解）结合，然后进一步与其它ITCP 分子结合以强化稳定的保护膜。与现有的缓蚀剂相比，树枝状聚合物缓蚀剂性能的提高是源于其分子中丰富的吸附位点可在钢表面形成更均匀的保护层。该研究表明， ITCP-0G 和ITCP-1G无毒且高效，对提高软水环境中钢表面的耐腐蚀性具有重要意义。

图. ITCP-0G和ITCP-1G的在碳钢表面的吸附模型

文献来源：Haibin Zheng, Bingru Zhang* , Xinyu Wang, Yufei Lu, Fengting Li, Chunjiang Li. Chemical Engineering Journal 2023, 452, 139043.